电力电子器件第5讲

1.4电力电子器件的驱动电路1〕、驱动电路功能：是主电路与控制电路之间的接口使电力电子器件任务在较理想的开关形状，缩短开关时间，减小开关损耗，提高运转效率、对安装的可靠性和平安性都有重要的意义。2〕、驱动电路的根本义务：将信息电子电路传来的信号，转换为电力电子器件所要求的开通或关断的信号，及必要的隔离电路。

对半控型器件只需提供开通控制信号。对全控型器件那么既要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号。(1-1)0电力电子器件驱动电路概述驱动电路(1-2)光耦合器的类型及接法a)普通型b)高速型c)高传输比型3〕、隔离电路：普通采用光隔离或磁隔离。●光隔离普通采用光耦合器●磁隔离的元件通常是脉冲变压器(1-3)按照驱动信号的性质分，可分为电流驱动型和电压驱动型。驱动电路详细方式可为分立元件的，但目前的趋势是采用公用集成驱动电路。双列直插式集成电路及将光耦隔离电路也集成在内的混合集成电路。为到达参数最正确配合，首选所用器件消费厂家专门开发的集成驱动电路。4〕、分类(1-4)5〕、集成驱动模块的特点驱动电路可输出要求的驱动电流，确保快速有效的导通和关断，缩短存储时间。导通时监控集射极饱和压降，自动调理功率开关管驱动电流，维持功率开关管处于临界饱和形状。可串联电阻检测集电极电流，实现过流维护。电源正负电压检测，热维护，欠压维护功能。有的还具有高速输入输出隔离功能。防止直通景象发生。(1-5)1晶闸管的触发电路作用：产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需求的时辰由阻断转为导通。晶闸管导通条件？？晶闸管驱动电路的要求驱动信号〔交流，直流，脉冲〕驱动信号有足够的功率〔驱动电压，驱动电流〕驱动信号的宽度〔消逝前到达擎住电流〕和陡度〔大于10V/us或800mA/us〕不超越门极电压、电流和功率定额，且在可靠触发区域之内。有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。tIIMt1t2t3t4理想的晶闸管触发脉冲电流波形t1~t2脉冲前沿上升时间〔<1s〕t1~t3强脉宽度IM强脉冲幅值〔3IGT~5IGT〕t1~t4脉冲宽度I脉冲平顶幅值〔1.5IGT~2IGT〕晶闸管的触发电路(1-6)V1、V2构成脉冲放大环节。脉冲变压器TM和附属电路构成脉冲输出环节。

V1、V2导通时，经过脉冲变压器向晶闸管的门极和阴极之间输出触发脉冲。常见的晶闸管触发电路常见的晶闸管触发电路(1-7)(1)GTOGTO的开通控制与普通晶闸管类似。GTO关断控制需施加负门极电流。图1-28引荐的GTO门极电压电流波形OttOuGiG2GTO的驱动电路正的门极电流5V的负偏压GTO驱动电路通常包括开通驱动电路、关断驱动电路和门极反偏电路三部分，可分为脉冲变压器耦合式和直接耦合式两种类型。变压器二次侧N2、N3的电压满足如下要求uN2正半周，经VD1使C1充上+5V电压。uN2负半周，经VD2使C2充上10V电压。uN2下一正半周，经VD3使C3充上＋15V电压。VD4和电容C4提供-15V电压。V1开通时，输出正强脉冲，GTO导通。V2开通〔V1关〕时输出+5V电压，保证可靠导通。V2关断而V3开通时输出负脉冲，使GTO关断。V3关断后R3和R4提供约－5V门极负偏压，保证可靠关断。(1-8)直接耦合式驱动电路可防止电路内部的相互关扰和寄生振荡，可得到较陡的脉冲前沿。目前运用较广，但其功耗大，效率较低。典型的直接耦合式GTO驱动电路(1-9)恒压源关断控制电路变压源关断控制电路〔1〕恒压源关断控制〔2〕变压源关断控制(1-10)开通驱动电流应使GTR处于饱和导通形状，小功率电路中，为使GTR便于关断，可使之任务在准饱和导通形状。关断GTR时，施加一定的负基极电流有利于减小关断时间和关断损耗。关断后同样应在基射极之间施加一定幅值〔6V左右〕的负偏压。tOib理想的GTR基极驱动电流波形3BJT〔GTR〕的驱动电路GTR驱动电路，包括电气隔离和晶体管放大电路两部分※主电路未画出，V为GTR任务过程：A高电平，V1、2通，V3止，V4、5通，V(GTR)通。A低电平，V1、2止，V3通，V4、5止。在UC2作用下，V6导通，V反偏截止，VS通，使V截止更可靠。二极管VD2和VD3构成贝克箝位电路〔即抗饱和电路〕，使集电极电位低于基极电位时，VD2会自动导通，使Vce维持在0.7V，使GTR处于准饱和形状。C2为加速电容，可提高脉冲前沿陡度，降低开通时间。同时也是V的关断电源。注UCE=0.7-3V为准饱和驱动GTR的集成驱动电路中，THOMSON公司的UAA4002和三菱公司的M57215BL较为常见。(1-12)电力MOSFET和IGBT是电压驱动型器件。为快速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小。触发脉冲前后沿要峻峭〔足够快的上升、下降速度〕使MOSFET开通的驱动电压普通10~15V〔多用10V〕，使IGBT开通的驱动电压普通15~18V〔多用15V〕。〔高于管子的开启电压〕关断时施加一定幅值的负驱动电压〔普通取-5~-15V〕有利于减小关断时间和关断损耗。所需的驱动电流为栅极电容的充放电电流在栅极串入一只低值电阻〔数十欧左右〕可以减小寄生振荡，该电阻阻值应随被驱动器件电流额定值的增大而减小。驱动电源需并联旁路电容，消除噪声，给负载提供瞬时电流，加快开关速度。电压驱动型器件的驱动电路特点4MOSFET的驱动电路M高电平V1通，运放A输出高电平，V2导通输出正驱动电压，使MOSFET导通。无输入信号时，运放A输出负电平，V3导通，使MOSFET控制〔栅〕极放电，并接受反压而关断。(1-13)电气隔离和晶体管放大电路两部分电力MOSFET的一种驱动电路：(1-14)举例：电力MOSFET的一种集成驱动芯片TLP250它的最大输出电流1.5A，它不仅可以驱动电力MOSFET，也可以驱动IGBT，200A以下的管子可以直接驱动。专为驱动电力MOSFET而设计的混合集成电路有三菱公司的M57918L，其输入信号电流幅值为16mA，输出最大脉冲电流为+2A和-3A，输出驱动电压+15V和-10V。●常用的有三菱公司的M579系列〔如M57962L和M57959L〕和富士公司的EXB系列〔如EXB840、EXB841、EXB850和EXB851〕●内部具有退饱和检测和维护环节，当发生过电流时能快速呼应但慢速关断IGBT，并向外部电路给出缺点信号。●M57962L输出的正驱动电压均为+15V左右，负驱动电压为-10V。M57962L型IGBT驱动器的原理和接线图4IGBT的驱动电路〔多采用公用的混合集成驱动器〕(1-16)外因过电压：主要来自雷击和系统操作过程等外因操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起浪涌过电压：由雷击引起〔避雷器、压敏电阻〕内因过电压：主要来自电力电子安装内部器件的开关过程换相过电压：SCR及二极管换流时，会有较大的反向电流流过，当恢复了阻断才干时，该反向电流急剧减小，线路电感在器件两端感应出过电压。〔RC维护〕关断过电压：全控型器件关断时，正向电流迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。〔RCD维护电路〕电力电子安装能够的过电压——外因过电压和内因过电压1.4电力电子器件的维护1过电压维护电力电子器件的过载才干差，短时间的过压、过流均会呵斥器件损坏。因此维护那么成为保证器件可靠运转的重要一环。(1-17)过电压制制措施及配置位置F避雷器D变压器静电屏蔽层C静电感应过电压制制电容RC1阀侧浪涌过电压制制用RC电路RC2阀侧浪涌过电压制制用反向阻断式RC电路RV压敏电阻过电压制制器RC3阀器件换相过电压制制用RC电路RC4直流侧RC抑制电路RCD阀器件关断过电压制制用RCD电路电力电子安装可视详细情况只采用其中的几种。其中RC3和RCD为抑制内因过电压的措施，属于缓冲电路范畴。过电压维护措施过电压维护措施〔1〕用RC抑制过电压利用电容两端电压不能突变，抑制过电压。但为防止电容放电时经过SCR的电流过大和抑制振荡，需串入电阻，从而构成了阻容维护电路。①交流侧的阻容维护可参考“电力电子技术题例与电路设计指点〞145-153页。这里需求留意的是电容的耐压和电阻的功率。②元件两端的阻容维护主要抑制器件关断时反向电流消逝过快而产生的过电压。RC参数选择的参考书同上，第148页。〔2〕用压敏电阻抑制过电压压敏电阻RV:是一种由氧化锌、氧化铋等烧结制成的非线性元件，称金属氧化物压敏电阻，简称压敏电阻。正常电压时呈高阻形状，仅有很小的漏电流〔μA级〕，出现过压时，它很快变成低阻形状，经过很大的浪涌电流，把过电压吸收掉，过电压过后，一切恢复正常。压敏电阻的选择见上述参考书，第146-147页。●RC过电压制制电路最为常见，典型结合方式见以下图RC过电压制制电路结合方式a)单相b)三相大容量电力电子安装可采用图1-36所示的整流式RC电路图1-36整流式过电压制制用RC电路维护电路参数计算可参考相关书籍和工程手册也可选用金属氧化物压敏电阻、硒堆等非线性元器件吸收过电压(1-21)过电流——过载和短路两种情况维护措施负载触发电路开关电路过电流继电器交流断路器动作电流整定值短路器电流检测电子维护电路快速熔断器变流器直流快速断路器电流互感器变压器同时采用几种过电流维护措施，提高可靠性和合理性。电子电路作为第一维护措施，快熔仅作为短路时的部分区段的维护，直流快速断路器整定在电子电路动作之后实现维护，过电流继电器整定在过载时动作。过电流维护措施及配置位置2过电流维护(1-22)采用快速熔断器是电力电子安装中最有效、运用最广的一种过电流维护措施。选择快熔时应思索：(1)电压等级根据熔断后快熔实践接受的电压确定。(2)电流容量按其在主电路中的接入方式和主电路结合方式确定,但熔丝电流容量应大于正常时线路中电流有效值。(3)快熔的I2t值应小于被维护器件的允许I2t值。快熔对器件的维护方式：全维护和短路维护两种(1)全维护：过载、短路均由快熔进展维护，适用于小功率安装或器件裕度较大的场所。(2)短路维护：快熔只在短路电流较大的区域起维护作用。对重要的且易发生短路的晶闸管设备，或全控型器件，需采用电子电路进展过电流维护。常在全控型器件的驱动电路中设置过电流维护环节，呼应最快。电子电路过电流维护自关断电力电子器件的热容量极小，过电流才干很低，其过流损坏在微秒级的时间内，远远小于快速熔断器的熔断时间，所以诸如快速熔断器之类的过电流维护方法对自关断型电力电子器件来说是无用的。为了使自关断型器件组成的电力电子安装平安运转，维护的主要做法是：利用参数形状识别对单个器件进展维护；利用互锁的方法对桥臂中两个器件进展维护；利用电流检测等方法进展维护。(1)电压形状识别维护当BJT、GTO、IGBT等电力电子器件处于过载或短路缺点形状时,随着集电极电流或阳极电流的添加,其集射极电压UCE或阳极阴极的电压UAK均发生相应变化,BJT的基射极电压UBE也发生变化，可利用这一特点对BJT等自关断器件进展过载和短路维护。基极电压形状识别维护

监测基极电压形状识别维护电路监测集射极电压形状识别维护电路集射极电压形状识别维护电路(2)桥臂互锁维护(3)过饱和维护采用准饱和驱动电路实现过饱和维护。(4)直接电流检测法(5)GTO的过电流维护(1-25)功率MOSFET和IGBT栅极绝缘的氧化层很薄，在静电较强的场所容易引起静电击穿，呵斥栅源短路。元件应存放在防静电包装袋，导电资料包装袋或金属容器中，取用器件时，应拿器件管壳，而不要拿引线。任务台和烙铁都必需良好接地，焊接时电烙铁功率不超越25W，最好运用12V～24V的低电压烙铁，先焊栅极，后焊漏极与源极。在测试MOSFET时，丈量仪器和任务台都必需良好接地，MOSFET的三个电极未全部接入测试仪器或电路之前，不要施加电压，改换测试范围时，电压和电流都必需先恢复到零。2静电维护缓冲电路〔吸收电路〕作用：抑制器件在开通和关断过程中引起的过电压、du/dt、过电流和di/dt，减小器件的开关损耗。开通缓冲电路〔di/dt抑制电路〕：串小电感LiLi在V开通时，使电流上升缓慢，抑制了di/dt。V关断时，Ri、VDi用来释放Li中的磁场能量。关断缓冲电路〔du/dt抑制电路〕：RCD缓冲电路〔维护电路〕关断时负载电流经VDS、CS分流，降低du/dt，抑制过电压。开通时，CS经RS放电，这里RS起限流作用。留意：VDS必需用快恢复二极管，电流定额不小于器件的1／10图1-38di/dt抑制电路和RCD缓冲电路1.5电力电子器件的缓冲电路(1-27)关断缓冲电路〔du/dt抑制电路〕——吸收器件的关断过电压和换相过电压，抑制du/dt，减小关断损耗。开通缓冲电路〔di/dt抑制电路〕——抑制器件开通时的电流过冲和di/dt，减小器件的开通损耗。复合缓冲电路——关断缓冲电路和开通缓冲电路的结合。按能量的去向分类法：耗能式缓冲电路和馈能式缓冲电路〔无损吸收电路〕。通常将缓冲电路专指关断缓冲电路，将开通缓冲电路叫做di/dt抑制电路。(1-28)充放电型RCD缓冲电路，适用于中等容量的场所。di/dt抑制电路和充放电型RCD缓冲电路及波形a)电路其中RC缓冲电路主要用于小容量器件，而放电阻止型RCD缓冲电路用于中或大容量器件。另外两种常用的缓冲电路RC吸收电路放电阻止型RCD吸收电路(1-29)导通缓冲电路开关管开通时稳态电流值越大，开通时间越短，那么di/dt越大。开通缓冲电路复合缓冲电路复合缓冲电路馈能缓冲电路馈能式复合缓冲电路(1-30)晶闸管的串联目的：当晶闸管额定电压小于要求时，可以串联。1.5电力电子器件的串并联1晶闸管1.静态均压：保证阻断时器件承当电压相等。但因断态电阻不同，电阻大者接受过电压。措施：并联均压电阻。其阻值小于晶闸管断态电阻値的1／10即可。选用参数和特性尽量一致的器件。2.动态均压：保证开关过程中器件承当电压相等。但因串联器件t开、t关不同，呵斥后开通和先关断的器件接受过电压。措施：在器件两端并联阻容支路，利用电容电压不能突变抑制过电压。选择动态参数和特性尽量一致的器件，采用门极强脉冲触发。由于晶闸控制造工艺的改良，器件的电压等级不断提高，因此要求晶闸管串联衔接的情况会逐渐减少。器件串联后，必需降低电压的额定值运用，串联后选择晶闸管的额定电压为

式中Um—作用于串联器件上的峰值电压ns—串联器件个数(1-32)问题：会分别因静态和动态特性参数的差别而电流分配不均匀。

均流措施：挑选特性参数尽量一致的器件。采用均流电抗器。用门极强脉冲触发也有助于动态均流。当需求同时串联和并联晶闸管时，通常采用先串后并的方法联接。目的：多个器件并联来承当较大的电流晶闸管的并联当晶闸管额定电流小于要求时，可以并联。要求：各并联器件的电流均匀分配。但因通态压降及开关时间不同，呵斥电流分配不均匀。均流措施：挑选特性参数尽量一致的器件。采用均流电抗器。用门极强脉冲触发也有助于动态均流。当需求同时串联和并联晶闸管时，通常采用先串后并的方法联接。VT1VT2晶闸管的并联采用两个耦合较好的空心电感，由于空心电抗器的线圈都有电阻，因此实践上它是电阻串电感均流。器件并联后，必需降低电流的额定值运用，并联后选择晶闸管的额定电流为

式中I—允许过载时流过的总电流有效值np—并联器件个数晶闸管串并联衔接时参数比较接近；触发脉冲前沿要陡，电流要大；适当增大电感；各支路铜线长短一样，分布电感和导线电阻相近；先串后并的方法(1-34)1.GTO的串联衔接GTO串联时，采用与晶闸管类似的方法处理均压问题。GTO的动态不均压的过电压产生于器件开通瞬间电压的后沿和关断瞬间电压的前沿，采用强触发脉冲驱动。GTO串联均压电路2GTO的串并联2.GTO的并联衔接一个GTO内部就是由几百个小GTO单元并联任务的，这就给多个GTO之间的并联任务发明了先天性的有利条件。均流电路和SCR类似。开通和关断过程中产生的动态不均流问题。并联任务的GTO1与GTO2之间的开关时间差别，从而导致GTO的开关损耗进一步增大，温度再增高，这样继续下去，恶性循环的结果就会烧坏器件。除了严厉挑选并联任务的GTO通态电压相等外，精心设计门极控制电路，采用强触发脉冲驱动，力争做到并联的GTO同时开通和同时关断。1.BJT的串联衔接由于BJT对过电压敏感，通常BJT是不进展串联运转的2.BJT的并联衔接大电流BJT管芯中采用了假设干小电流的BJT并联，因此用并联来增大BJT电流容量是比较常用的方法。当负载电流比较小时，两个管子的集电极电流极不均匀随着负载电流的增大，电流分配将大为改善。运用同一个厂家同一型号的管子，多管并联时可以不采用负载平衡措施。开关过程中，BJT的负载分配是不均匀的，必需设计一种适宜的电路，使它可以在动态下自动坚持并联的管子的平衡负载才干。3BJT的串并联(1-38)Ron具有正温度系数，具有电流自动平衡的才干，容易并联。留意选用Ron、UT、Gfs和Ciss尽量相近的器件并联。电路走线和规划应尽量对称。有些也可在源极电路中串入小电感，起到均流电抗器的作用。电力MOSFET并联运转的特点〔通常不串联任务〕3MOSFET的串并联(1-39)IGBT并联运转的特点在1/2或1/3额定电流以下的区段，通态压降具有负温度系数。在以上的区段那么具有正温度系数。并联运用时也具有电流的自动平衡才干，易于并联。并联时本卷须知：当并联运用时，运用同一等级UCES的模块。各IGBT之间的IC不平衡率≤18%。各IGBT的开启电压应一致，并联时的接线方法：在模块的栅极上分别接上各模块引荐值的RG。栅极到各模块驱动级的配线长短及引线电感要相等控制回路的接线应运用双芯线或屏蔽线。主电路需采用低电感接线。使接线尽量接近各模块的引出端，运用铜排或扁条线，以尽能够降低接线的电感量。4IGBT的串并联IGBT通常不串联任务小结〔器件特点〕1.根据开关器件能否可控分类(1)不可控器件二极管是不可控器件。(2)半控器件普通晶闸管SCR是半控器件。(3)全控器件GTO、BJT、功率MOSFET、IGBT等。2.根据门极(栅极)驱动信号的不同(1)电流控制器件驱动功率大，驱动电路复杂，任务频率低。该类器件有SCR、GTO、BJT。(2)电压控制器件驱动功率小，驱动电路简单可靠，任务频率高。该类器件有功率MOSEET、IGBT。3.根据载流子参与导电情况之不同(1)单极型器件功率MOSFET。(2)双极型器件二极管、SCR、GTO、BJT。(3)复合型器件IGBT